風電葉片雷擊防護的研究進展

謝惠，李曉旻，李子威，陸書建

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所洛陽雙瑞風電葉片有限公司，河南洛陽471039)

風電葉片雷擊防護的研究進展

謝惠，李曉旻，李子威，陸書建

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所洛陽雙瑞風電葉片有限公司，河南洛陽471039)

風力發電是一種清潔能源，近年來受到全球范圍的關注。隨著陸上風力發電場趨于飽和，風力發電逐漸向海上擴張。海上風電雖與陸上風電有所不同，但雷電襲擊對于海陸風電力發電場來說，都是威脅其運行安全的嚴重問題。風電葉片作為風電機組的重要組成部件之一，其受雷擊后會導致風機停運，帶來嚴重的經濟損失。葉片的雷擊防護已引起人們的重視，成為風電領域和防雷領域的熱點問題。本文闡述了風電葉片防雷系統的現狀和問題，風電葉片雷擊防護的研究進展，并結合復合材料雷電實驗的研究成果，為海上風電葉片防雷系統的研究提供新思路和新方向。

風電葉片;碳纖維復合材料;防雷系統;海上風電

1 引言

隨著社會經濟的持續增長和不可再生能源的日益枯竭，風能作為一種清潔能源受到世界各國的關注。近年來，我國陸上風力發電機組的單機容量越來越大，輪轂高度和葉輪直徑也不斷提升，使得風電機組在運行過程中受雷擊的風險變得更高。風電葉片因處于風電機組最高位，成為風電機組中受雷擊概率最大的零部件之一。對于海上風力發電場的建設，風電葉片處于濕度大、鹽分高的海洋大氣區，潮濕的空氣和鹽分極易在葉片表面聚集，相比于陸上風電葉片，葉片自身的絕緣能力較低，此外，風電葉片所處環境比陸上風電場更為空曠，因而海上風電葉片更易受到雷電襲擊。海上風機葉片的雷擊損壞后果十分嚴重，會導致高昂的葉片維修費和風力發電系統長時間的停機，嚴重影響風場的正常運行。因此，亟需對陸上和海上風電葉片防雷擊系統展開進一步的研究。

2 風電葉片防雷系統現狀及問題

風電葉片的防雷保護一般是按照IEC61400進行設計的，IEC61400-24對風電葉片的防雷推薦了多種方案。目前常用的方案是通過在葉片尖部，葉片中部，葉片表面和內部安裝金屬接閃器，讓雷擊電流通過金屬接閃器和下引導線傳至葉片根部，從而保護風電葉片免受損壞，如圖1所示。現階段我國風電葉片的設計主要依托國外公司，葉片實際生產時完全按照設計文件的要求安裝葉片防雷系統。而國外設計公司在設計風電葉片防雷系統時并未考慮我國地域的雷電活動情況及實際風電機組裝機密度，有資料表明德國地區的雷電活動總體分布特點是南多北少，與中國向比，其最高累計密度處于較低水平。德國統計數據表明風電葉片雷擊損壞率不高，設計人員在葉片防雷系統設計方面重視程度不足［1］。對于海上風電場，其葉片防雷系統的設計大多也是按照IEC61400進行，但海上風電葉片長期處于潮濕環境，葉片表面附著的水分和鹽分會降低葉片接閃器的有效接閃率，海上風電葉片僅采用與陸上風電葉片類似的防雷系統是不夠的。因此，在風電葉片的實際制作中，應當考慮在設計文件所提供的葉片防雷系統方案的基礎上增加新的防雷保護措施。

圖1 葉片接閃器及下引導線示意圖

3 風電葉片雷擊防護研究進展

3.1 風電葉片防雷技術研究方向

對于陸上風電葉片防雷系統的研究，現階段研究對象多為單體風機，而對風電場整體研究的較少。隨著陸上風電機組葉片長度的增長，輪轂高度的增高，風電場裝機密度的增大，如何提高風電機組之間的屏蔽性應成為研究的方向之一。對于海上風電場的防雷研究，現階段缺少能為海上風機防雷保護設計提供支持的海上風電場先導概率模型。此模型的建立首先需要獲得一系列海上雷電物理參數，如雷電電荷密度、海上環境的電場強度、先導通道長度及發展速度等，但目前國內外對此類數據的探測和積累十分欠缺。此外，目前已知海上風電葉片表面附著的水分、鹽分會對葉片自身接閃器性能產生影響，但與此相關的具體研究開展較少。因此，應加強海上風電場雷擊演化物理機制，葉片接閃器效率及布置優化的理論研究，為海上風電葉片防雷技術的發展提供理論基礎。就當前研究進展情況而言，雷擊防護已經在防雷增效和新興防雷擊材料兩方面開展了研究。

3.2 葉片防雷擊系統增強措施的研究進展

葉片防雷擊的總體思路是提高葉片的有效接閃率，增大葉片自身的導電能力。在發生雷擊時，葉片防雷系統的導電物質可作為雷電行走通道將葉片上的雷電引入地下，或者是對雷電進行攔截，防止雷電擊中葉片主體造成損害。一類方法是使用涂層提高葉片導電能力;另一類方法是將導電的材料添加進葉片的表面材料部分，使得葉片自身就可以進行導電，進而將雷電流經葉片傳到根部［2］。對于第一類方法，大多是在表面增加導電功能層，通過將葉片表面靜電荷或電流及時排放的方式來保護葉片，防止雷電擊壞葉片。根據報道［3］，國外有些葉片防雷系統使用外表面粘貼鋁箔的方法，葉片外表面粘貼導電金屬箔，該金屬條形成分段式避雷帶，雷擊后，起粘接作用的環氧基膠料汽化，可方便撕去損壞的金屬條，快速更換新導電金屬條。對于第二類方法可以將金屬材料或其他導電材料直接噴在葉片的表面上，也可以將金屬纖維加入到葉片外層制造材料的內部，或是將金屬網放置在葉片的表面，或者是將導電物質引入表面的復合材料之中［2］。

3.3 新型防雷擊材料的研究進展

面對風電葉片原材料的變化及裝機量的迅速增長，迫切需要研究新型防雷材料來提高葉片的防雷能力。碳纖維材料在風電葉片的制造中已得到應用［4-5］，隨著海上風電的發展，碳纖維材料在葉片上的應用會越來越多，本部分針對在風電葉片領域使用日益增多的碳纖維，闡述碳纖維復合材料雷電實驗的研究成果，為海上風電防雷系統的研究提供新思路。

目前，碳纖維復合材料雷擊防護的研究主要集中在如何提高材料的電導率。在復合材料體系中添加導電納米材料，如碳納米管、石墨烯、金屬納米線等［6-7］方法研究最為廣泛。其中，碳納米管，碳納米纖維，石墨烯等碳系導電材料具有導電性能穩定，耐腐蝕性強，密度小等優點，近年成為導電填料的首選［8］。研究發現在樹脂基體中加入少量碳納米填料就可迅速降低涂膜的電阻率，這使得它們成為各國研究人員關注的新型導電材料。實驗發現，當添加到涂膜內的導電填料超過一定值時，涂膜的電阻率會迅速降低表現出導電性，此種現象稱為滲流，這一臨界值稱為滲流閾值［9］。當導電填料顆粒小到微納米級別時，填料的長徑比，尺寸，形態等諸多因素會影響材料的滲流閾值，大量的研究報道了填料形態與滲流閾值的關系。Li ETTChunyu等人［10］研究發現，穿隧效應(tunneling effect電子從一個碳納米管到另一個碳納米管)對提高材料的導電率有重要影響，尤其在滲流閾值附近［11］，增加碳納米管的長徑比可降低其滲流閾值降低，特別在碳納米管長徑比小的情況下。此外，Li C.等人［12］利用蒙特卡洛模擬證明碳有彎曲的碳納米管的電導率比直碳納米管的電導率小，滲流閾值隨著其波度最大角度增加而增加。由于碳納米管的長徑比高，分散在樹脂基體中后更容搭接形成導電網絡，因此用碳納米管作導電填料制備導電涂料，滲流閾值常小于5%，在某些體系中甚至可小于1%［8］。目前可得到的碳系填料已取得的最低滲流閾值是由Sandler等制備的碳納米管/環氧樹脂復合體系，其滲流閾值僅為0.0025%［13］。此外，文獻［14］報道，K.C.Divya［15］發現在碳纖維增強雙馬來酷亞胺復合材料中添加不同導電材料制成的復合材料具有更高的導電性，其中添加4wt%鎳單壁碳納米管后的電導率明顯比添加4wt%單壁碳納米管的電導率高;作者又人工模擬雷擊實驗來檢測不同納米復合材料對雷擊防護的效果，該實驗表明添加鎳單壁碳納米管是一種比較合適提高碳纖維雙馬復合體系雷電防護性能的方法; N.Yamamoto［16］在碳纖維上原位生長碳納米管與熱固性樹脂復合，得到碳納米體積分數3%的納米復合材料，其電導率比碳纖維復合材料的提高了6-8個數量級，這給碳纖維復合材料雷擊防護性能的提高提供了新思路;Jihua Gou［17］用碳納米纖維和鎳納米線制作納米纖維紙，通過樹脂傳遞模塑工藝使納米纖維紙與碳纖維復合材料層合板的表層貼合，實驗發現此方法能夠提高碳纖維復合材料表層的導電性能，可以有效降低雷擊損傷。

通過上述實驗研究可以看出，碳納米材料加入碳纖維復合材料內可以有效增強復合材料的防雷電性能，因此，碳納米材料可作為海上風電防雷擊系統新材料加以進一步深入研究。目前，碳納米復合材料制備的工藝穩定性，批量化生產方法，以及如何應用在海上風電葉片等都是有待解決的問題。

4 結語

(1)雷電是威脅風力發電機組正常運行的危險因素之一，隨著陸上風電葉片長度的增加和裝機量的增大，應在兼顧葉片原始設計的基礎上，結合我國風場實際裝機密度、輪轂高度、風場地區雷電統計等信息綜合性考慮風電葉片雷擊防護，增加其他防雷措施，提高葉片的防雷能力。

(2)對于海上風電葉片的雷擊防護技術，應在現有雷擊防護技術基礎上，結合近海岸或潮間帶雷電發生情況，深入考慮海上高濕高鹽分運行環境對葉片雷擊的影響，加強海上風電葉片雷電演化物理機制的研究，在海上風電葉片設計時優化葉片接閃器安裝數量，安裝位置及接閃器的形式。

(3)碳纖維復合材料的雷擊防護新材料的研制在實驗室取得了階段性的成果，為海上風電葉片的雷擊防護技術的研究提供了新思路與新選擇。新型防雷材料制備工藝穩定性的提高，新材料生產成品的控制，以及新材料在海上風電葉片上的應用方法等一系列問題都有待進一步解決。

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Research Development of Lightning Strike Protection for Wind Turbine Blade

XIE Hui，LI Xiaomin，LI Ziwei，LU Shujian
(The 725 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Luoyang Sunrui Wind Turbine Blades Co.，Ltd.，Henan Luoyang China)

Wind energy，as one of ecological resources，has attracted global attention in recent years.The onshore wind farms witness the flourish of the offshore ones.Although there are differences between onshore wind turbines and offshore ones，they are particularly vulnerable to lightning strokes.Wind turbine blade is an important component to wind power.Lightning strike of blade has a bad influence on wind turbine operation，which can result in severe economic loss.Therefore lightning strike protection of blade becomes a hot issue in the wind power and lightening strike protection field.This review paper presents problems of current blade lightning strike protection system，the technology and research development of blade lightning strike protection，and advanced materials for lightning strike protection technology，in order to provide new options for lightning strike protection of offshore wind turbine blade.

wind turbine blade;CFRP;lightning protection system;offshore wind farm

2016-06-07)

謝惠(1988-)，女，河南人，碩士，助理工程師。研究方向:復合材料風電葉片成型工藝研究。

E-mail:xiehui@725.com.cn.